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從寄生到互利

科學月刊_96
・2012/07/16 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

寄生蟲將其一生的大多數時間居住在宿主或寄主上,造成被寄生動物的危害。
但若從長久演化眼光來看,寄生蟲需要與寄主同舟共濟,一齊生存。

文 / 程樹德

《詩經》魏風有〈碩鼠〉一詩,「碩鼠碩鼠, 無食我黍,三歲貫女,莫我肯顧,逝將去女,適彼樂土」。婉約的詩人將壞統治者比喻做大肥鼠,雖長年供養著牠,但牠不肯為人民謀福利,只好離開肥鼠到理想的新樂土去。現代歷史學者麥克尼爾(W. McNeil)寫他名著《瘟疫與人》時,也幽默地將病原稱為微寄生蟲,將暴虐的掌權者稱為「巨寄生蟲」。

寄生蟲上身

不管是微寄生蟲或巨寄生蟲,被利用的生物總要用某些方法來祛除寄生蟲,例如動植物群體會以突變方式產生抵抗力,以防止寄生蟲上身。縱使寄主擺脫不了寄生蟲,寄生蟲會因長遠利益,不會陷寄主於劣勢,因為一旦寄主不能在天擇中生存,寄生蟲自然也被淘汰。故從長久演化眼光來看,寄生蟲畢竟需要與寄主同舟共濟,一齊生存。

圖一:依照科學家馬古里斯所提倡的內共生理論,粒線體(A)和葉綠體(B),很早前皆是獨立生存的細菌,大約在17 億 ~20 億年前,進入真核細胞的細胞質內。

最經典的例子,是有核細胞內的兩種胞器,粒線體和葉綠體。依照科學家馬古里斯(Lynn Margulis, 1938~2011)所提倡的內共生理論,這兩種小胞器,很早前皆是獨立生存的細菌,大約在17億~20億年前,進入真核細胞的細胞質內。再經共同演化過程後,原粒線體為細胞提供呼吸的能力,原葉綠體讓細胞捕捉光能,這兩種能力,大大拓展了真核細胞的生存能力,進而促進多細胞生物的演化。

但進入細胞的細菌,並不只限於粒線體和葉綠體。近90年前(西元1924年),渥巴赫(S.Burt Wolbach)及赫提許(Marshall Hertig)從庫蚊(Culex pipientis)體內,發現了類似立克次菌(rickettsia)的細菌。12年後賀氏將之申報為新種新屬,命名為渥倍奇菌(Wolbachia pipientis)。其後不曾引發學者的興趣,直到1971年,在洛杉磯加州大學的嚴珍妮(Janice Yen)及巴爾(A.R.Barr)發現,雌庫蚊若沒被渥倍奇菌感染,它的卵在受精後,會被受菌感染的雄蚊精子所殺死,這奇怪現象稱「細胞質不相容性」(cytoplasmic incompatibility)。1990年,加州大學河濱分校的史陶塞莫(R. Stouthamer)發現渥倍奇菌能讓某些昆蟲進行孤雌生殖,即不需要有雄性的參與,就能雌生雌,一代代傳衍下去。這兩個稀奇現象,大大挑動了學者的興趣,使這渥倍奇菌成了研究的寵兒。

渥倍奇菌

圖二:在一個染色的寄生蜂卵裡,可 見到渥倍奇菌(較亮處)寄生於其中。

經過這二十多年的研究,研究學者知道渥倍奇菌普遍存於昆蟲內,經過統計分析,它可能感染了65%以上的昆蟲之種;另外也能感染其他節肢動物,如、蜘蛛、蠍子及等足目(Isopods),以及線蟲中的絲蟲(Filarial nematode),使它成為粒線體及葉綠體外,最廣泛的細胞內共生菌。

由於現代DNA定序能力突飛猛進,兩株渥倍奇菌的全基因體核酸順序已被訂出,均只有一百多萬鹼基對,算是頗短的。在立克次菌這一目,基因體都不大,在80~210萬之間,這狀況是否因它們長期寄生細胞內,而有縮減之勢?渥倍奇DNA含有許多重複序列、病毒痕跡以及跳躍基因,但沒有保留完整的管家基因(housekeeping genes),即幫助它們在營養上,較能獨立生存的基因。這是否意味,它們已完全放棄了胞外生長的能力呢?至少目前,沒人能在培養皿內,不加昆蟲細胞,而能讓它生長,這也使研究略為困難。

扭曲寄主生殖能力

渥倍奇菌善於扭曲寄主的生殖能力,其「細胞質不相容性」是首先被發現的。現今的理論假設,渥倍奇菌先改變精子形成過程的某些步驟,而精子須進入被同種菌感染的未受精卵之後,方能擺脫前一個改變;若精子進了沒感染之卵,或受不同種菌感染的卵,則卵不能發育而死。

菌何以下此毒手,害了自己寄主的精子?它不能與別菌和平共存嗎?原來渥倍奇菌不能承載於精子上,卻能住在卵子內,這就可以由「競爭」或「自私」立場來解釋了。菌既無法由精子散播,反倒能以它為毒餌,破壞同一寄主族群內,其他雌寄主的生存機會,間接促進同種細菌所寄生的雌昆蟲的生存競爭能力,這真是了不起的巧詐呢!

雖然我們對菌這項分子機制的操作方法,尚不明瞭,但從細胞學階層分析中,倒有了較可信的理論。渥倍奇菌似可在延緩精子形成時,有絲分裂的過程,使其核內染色體沒有緊縮,而一旦受精後,雌核與雄核分裂因不同調,以致死亡。

第二項對生殖的扭曲,是「孤雌生殖」,即受菌感染的雌寄主,卵不必受精,即能發育為雌幼蟲。從演化邏輯言之,這很符合菌的生存利益,既然雌寄主要花不少精力尋找配偶,何不改變它為無性生殖呢?是以菌似乎能使減數分裂失敗,造成未受精卵內,已有雙套染色體,就可直接發育。

第三項對寄主的改造,是「變雄為雌」。既然雄寄主難以當散播媒介,何不將之變性呢?這現象先發現於等足目的動物內。細菌可寄生於雄性腺內,使之肥大而喪失功能,進而讓寄主發育成雌性,而在菌所感染的鱗翅目及半翅目昆蟲內,菌似乎干涉性別決定過程,讓昆蟲向雌性發育。

第四項能力是「殺死雄性」。從菌的利益來說,雌後代價值高於雄後代,故讓寄主生出全雌的後代,有較大好處。當初研究人員從鱗翅目這一昆蟲(Ostrinia scapulalis)發現全雌的後代時,以為這是菌變雄為雌的把戲(前述第三項能力),但當用四環素餵雌寄主,以除掉渥倍奇菌後,雌寄主所生一窩幼蟲,全是雄性,這就與第三項現象不符合了,因若為第三項現象,則菌被清除後,該是雌雄兼具呢!仔細研究後,方知有菌寄生時,雄卵先雌化,再死亡;而無菌時,雌卵在發育成幼蟲時都死了。這是致死性的雌化現象。

傳染方式

由於渥倍奇菌能造成廣泛的感染,以致進入百萬種以上昆蟲內。究竟它如何傳染呢?由於它不能在細胞外生長,直接取菌注入昆蟲卵內,是實驗室內可行的方法;在大自然中,寄生蜂或許是傳播細菌的媒介之一,它的產卵管可像注射針一般,將細菌由一種昆蟲,帶入另一種蟲子。此外,研究者也發現,在實驗室技術下,目前雖然沒法讓細菌脫離細胞而獨立生長,但在室溫下,分離出來的細菌仍能存活一週以上。這種堅韌的存活力,或能讓細菌有他種傳染方式,如昆蟲間打鬥或相食,細菌可由口或傷口進入;如細菌沾附植物上,或許能被昆蟲食入?

細菌一旦進入寄主,渥倍奇菌怎樣行動呢?佛里曼等人(Frydman, et al.)曾將菌注入成年黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)體內,再追蹤其去向。發現菌能進入卵巢,先集中於體幹細胞的養護細胞(somatic stem cell niche, SSCN)內,這些細胞位於幹細胞旁,負責支撐幹細胞的增殖,而幹細胞則有分裂能力,可補充耗損的體細胞,細菌從這一據點,進入體幹細胞及生殖幹細胞(germline stem cell),最後進入發育中的卵細胞,由此進入寄主的後代子女中。

過往二十多年,對渥倍奇菌的熱烈研究,一方面基於好奇心,希望知道它如何扭曲寄主的生殖,另一方面也頗具實用價值,例如絲蟲能引發人類的象人症(elephantiasis)。此症是因大量絲蟲堵塞了淋巴系統的體液回流,造成巨大的睪丸、臀部或大腿。而渥倍奇菌所呈現的蛋白質,或許就是引發發炎反應的嫌犯,由於長久的共同演化,絲蟲要依賴菌方能生存,故用抗生素除菌,成了治療絲蟲症的新方向。

渥倍奇菌能造成寄主生殖障礙,也成了控制害蟲族群的可能方法。這原理與以前曾施行過的,釋放大量不孕雄性昆蟲,以與野生雄蟲競爭交配,進而降低族群內子代個體數目的「生物防治法」(biological control)頗為相似。此外能傳播登革熱病毒的伊蚊(Aedes)也有共生的渥倍奇菌,有人設法除掉菌,以促蚊子速死,讓它來不及傳播病毒。

從寄生到互利共生

圖三:卵巢枝的最頂端, 形狀像長了尖尾巴的俄羅斯娃娃。

寄生蟲在長期演化過程中,能否漸變成互利共生,仍是演化生物學者關懷的問題。渥倍奇菌與昆蟲,正是很好的研究材料。西元2007年,以澳洲墨爾本大學的威克絲(A. R.Weeks)帶頭的團隊報告指出,只需20年時間,就能觀察到「渥倍奇菌由寄生,向互利共生演化」。

1986年霍夫曼發現,加州南部的一種擬果蠅(D. simulans)有此菌寄生,也有細胞質不相容現象;後續威克絲發現,原來受感染族群,只限於加州南部之得哈洽彼橫斷山脈以南(Tehachapi Range),但向北移動速度頗快,10年內北進700公里,現已廣泛存於北美大陸各擬果蠅的族群內。在1980年代,菌寄生後,使雌蠅產卵數降低了15~20%,表示這是對個體生殖有害之寄生現象。而它仍能擴充感染率,就因菌有一個殺手,即前述第一項現象,讓沒被感染的雌蠅失去所有子代,進而擴充受感染蠅在下一代族群中的比例。

威氏於2002及2004年收集加州爾灣(Irvine)及河邊兩地多株的野生果蠅,養於實驗室中,並用抗生素殺滅渥倍奇菌,建立無菌果蠅族群。接著測量有菌或無菌雌蠅,在5天及10天內的產卵數,並予統計分析。威氏發現2002年及2004年的野生受感染雌蠅,平均產卵率已高出未受感染蠅10%。

短短二十年內,由有害的寄主,變為有利的共生,且其產卵率差異達25~30%,是很驚人的,細菌怎麼來操縱雌蠅呢?在細胞階層的運作,2011年由波士頓大學佛里曼領導之團隊揭密。

這個團隊先前用顯微鏡觀察黑腹果蠅的卵巢, 發現菌集中在體幹細胞之養護細胞(somatic stem cell niche, SSCN)中,這是支撐體幹細胞分裂的支持細胞,正如人類的濾泡細胞團團圍繞著發育之中的卵細胞,幫助它儲存大量養分。

我們得先知道卵巢的細部結構,想像有兩隻「佛手」,其果蒂端由一隻丫型管連在一齊,丫型管即輸卵管,其底部就是卵從母體擠出來的端點。佛手的每一根指頭,叫做小卵巢(ovariole)或卵巢枝(germarium),由一連串不同發育過程的卵細胞,及其養護細胞所構成。其指頭最頂端,像是長了尖尾巴的俄羅斯娃娃(圖三)。這娃娃的尾巴是生殖幹細胞的養護細胞(germline stem cell niche, GSCN),這些細胞支持其頂部的生殖幹細胞(germline stem cell)分裂,生殖幹細胞就位於俄羅斯娃娃的臀部。當生殖幹細胞分裂後,其一仍當幹細胞,另一進行分化,準備變成卵子。位於俄羅斯娃娃腰部外圈的體幹細胞也大量分裂,造成濾泡細胞,包裹住發育中的卵細胞,形成卵室(egg chamber)。卵室因堆積卵黃而增大,成了俄羅斯娃娃的頭部,頭部再擴大就脫離娃娃,成卵圓形卵室,最後成熟為卵,經由丫型輸卵管排出。

佛氏團隊用毛里秀斯果蠅(D. mauritiana)當研究材料,發現其受感染雌蠅產卵數,竟為未感染者4倍,這麼大的差異,遠超過威克絲的野生擬果蠅(D. simulans)。他們細查其卵巢,見細菌也聚集在生殖幹細胞之養護細胞內,是否細菌能操控這些細胞,進而促進生殖幹細胞的分裂頻率呢?為回答這問題,他們用三種生物化學指標來測其分裂活動,其一是磷酸組蛋白(phospho-histone H3)的抗體,這種蛋白存於進行有絲分裂之細胞中;其二是核酸DNA合成指標,溴尿嘧啶;其三是融合體(fusome),這是像驚嘆號形狀的細胞器官,只存於生殖幹細胞內。三種指標都顯示,被菌感染的卵巢,生殖幹細胞分裂活動,兩倍於未感染者。

另外兩倍的產卵能力來自何處?在俄羅斯娃娃腰部, 另有強烈細胞凋亡活動(apoptosis),以調節卵的生產量。佛氏團隊用生化方法,測凋亡的活性,發現被感染之俄羅斯娃娃腰部,細胞凋亡降低了2倍左右。

在細胞階層,這項新研究指出,菌促進生殖細胞分裂,並降低其凋亡,能讓被感染雌蠅,生出4倍量的卵。

演化的推理,與政治推理相似,即「誰得利?」(Cui Bono),微寄生蟲接受了這演化邏輯,由寄生到互利。「巨寄生蟲」們,也該有此體會,努力的創造利益,讓被寄生者活得好些!

參考資料

Fast, E.M. et al., Wolbachia enhance Drosophila Stem Cell proliferation and target the Germline Stem Cell Niche, Science, Vol. 334: 990-992, 2011.

程樹德,任教陽明大學微免所

原文發表於科學月刊第四十三卷第六期

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精子從哪裡進入卵子會影響胚胎發育?——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/20 ・2697字 ・閱讀時間約 5 分鐘

當我第一次驚喜瞥見打破對稱性的可能起源時,我驚訝地發現到這段歷程似乎很早就開始了,而這也為我運用綠色螢光蛋白追蹤細胞分化的研究鋪起了大道。卡羅琳娜與我想要進一步探索這個研究發現,所以我們提出了一個有關其終極源頭的簡單問題:精子進入卵子的位置是否對於胚胎一開始失去對稱性有任何影響?在線蟲與青蛙這類動物的胚胎中確實是這樣,但在哺乳動物(例如小鼠)的胚胎中也一樣嗎?

對稱藝術

當我們將生命的起源以動畫演繹出時,常常看到的影像就是精子設法進入沒有任何特徵的圓形卵子上,並融入其中。若情況是這樣的話,就很難看出精子進入卵子的位置是要如何對未來一切發育有所影響。在這個理想化的卵子上,任一處表面都與其他表面沒有任何差異。不過,當然還是存在有個參考指標,那個等同於「這邊是上面」的指標就是:極體。

圖/pexels

極體是從減數分裂的不對稱過程中所產生,細胞「骨架」在這個過程中會聚集以協助細胞進行分裂。這個細胞骨架稱為紡錘體,它會從細胞中心點往細胞邊緣移動,產生出一個大大的卵子與一個小小的極體。我們可以合理認為,紡錘體與染色體的移動可能打破了卵子的對稱性,也造成了擠壓極體的發育。許多人的確注意到極體最終總是會落在受精卵進行分裂的那個平面上。

理查.加德納這位我們之前見過的科學家,發現極體會附著在卵子上,它不只會確立受精卵首次分裂成兩個細胞的那個平面,它還會在幾天後確立出囊胚的對稱軸。這項發現讓我們有所啟發。這真的是因為卵子中的軸向資訊會一直持續到囊胚階段,還是有其他的因素會影響胚胎發育的對稱性?在我們進行科學研究的過程中,我與卡羅琳娜在當下這個時間點想要知道的是,精子進入卵子的位置是否也會影響胚胎發育,並提供第二個定位線索。

卵子上的座標——精子進入的位置會影響胚胎發育嗎?

就像在地表上某個地點跟北極的相對位置,可以定義所謂的經線,我與卡羅琳娜想要知道,精子進入卵子的位置是否也可以提供相對於極體位置的另一位置資訊。若真的是這樣,我們就能更精準確立進行首次分裂的那個平面。這感覺起來很合理,因為極體的形成與精子的進入位置都會重新排列之後會運用在卵子分裂上的細胞骨架。若不是這樣,分裂的那個平面與精子的進入位置之間就只有隨機的關係。

以現代科技來說,我們很容易就可以解決這個問題。我們可以將這個過程拍成影片,來看看從精子進入卵子後到後續細胞進行分裂的幾天之間究竟發生了什麼事。但在我們開始研究的那個年代,不存在這樣的選項。我們無法拍攝小鼠胚胎從受精開始進入發育的影片,要等到幾天後胚胎進入囊胚階段才行。我們只能想辦法去標記精子進入的位置,以便可以追蹤它與受精卵在數小時後首次分裂的那個平面之間的關係。

圖/pexels

我一開始想著要用某種自然一點的東西,像是胚胎幹細胞這種非常微小的細胞,在卵子受精後馬上附著在精子進入點上,因為那時還可以看到進入點,但最後我有了更簡單的辦法:我們改用肉眼看不見的微小螢光珠。我們成功了,但我很後悔沒有給這些珠子取個像「微球體」這樣酷炫的科學名稱。當然,同領域人士不認同的不僅僅只是這些珠子要怎麼命名,但「珠子」這個名稱有種簡樸感,所以批評者會用這個名稱來貶低我們的研究,這就是我們得要付出的代價。

一開始很容易就能看到精子是從哪裡進入卵子的。它會留下一個名為受精錐(fertilization cone)的小小凸起。受精錐是由卵子的細胞骨架所建構,並由肌動蛋白的纖維所組成,它大約會凸起半個小時。這時間剛好足夠嵌入一至兩個珠子來標記位置。

我們將這些珠子浸到名為植物血凝素(phytohemagglutinin)的蛋白質混合物中,珠子就會具有黏性。植物血凝素常用於讓細胞聚集在一起。因為人的手不夠穩定,所以卡羅琳娜會以一隻機械手臂來拿取具有黏性的珠子,並將珠子放到卵子的表面上,同時還會以另一隻機械手臂牢牢固定住剛受精的卵子。

圖/pexels

雖然珠子很小,直徑只有 0.0001 至 0.0002 公分,但在紫外線的照射下看起來大多了,亮綠色的點讓我們很容易就可以追蹤它的命運。觀察受精卵的發育時,我們發現珠子最終會來到細胞首次分裂所產生的兩個細胞之間的邊緣,或者是非常接近這個地方。

受精卵的分裂平面真的是由精子決定的嗎?

我們一直都在挑戰我們的思考與發現。上述情況有可能是任何落在卵子表面的珠子都會掉進分裂溝(cleavage furrow)中。所以為了確認,我們進行了一項對照實驗,卡羅琳娜將另一顆類似的珠子隨機放在卵子表面的其他地方。令我們欣慰的是,這顆珠子最終沒有掉進細胞分裂時所產生的分裂溝中。對我們而言,這表示精子進入卵子的位置以某種方式「被記住」了,並且成為受精卵偏好進行分裂的地點。換句話說,若我們是對的,受精卵之所以會在這個平面進行分裂,是因為偏好(biased)而非隨機(randomly)。

我們持續獲得了各種新發現。在胚胎從兩個細胞發育成四個細胞的階段中,帶有精子進入標記的那個細胞,會傾向於先進行分裂。這個細胞的命運之所以會改變,是因為精子帶入的物質滋養了它嗎?受精的三天後,精子進入標記會留置在囊胚兩部位之間的邊緣處,一個部位是含有會形成胚胎本體的胚胎部分,另一個則是胚外部分。

這表示了,兩細胞胚胎內的其中一個細胞較容易發育成胚胎,另一個則傾向於變成胚外部分。我們感到震驚。我們觀察影像好幾個小時,甚至好幾天。我一開始根本不敢相信這些發現,所以我請卡羅琳娜一再重複進行實驗,打破早期對稱性的證據怎麼這麼簡單,會不會太簡單了?

可以理解地,對此感到懷疑的人士可能會吹毛求疵地表示,決定分裂平面的不是精子進入點,而是將珠子嵌在進入點的這個動作。為了驗證這個可能性,我們進行了許許多多的對照實驗,我之後會提到。我們已經確認過,將珠子放置在受精錐以外的任何一個地方,都不足以決定分裂的平面。但我們還有諸多其他事項要一而再、再而三的確認,因為我們必須很確定。

這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 0823--300.jpg

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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澳洲婦人腦內的蟒蛇寄生蟲
胡中行_96
・2023/09/07 ・3695字 ・閱讀時間約 7 分鐘

「她是那麼勇敢而美好。」[1]美國疾病管制與預防中心(Centers for Disease Control and Prevention)2023 年 9 月號的《新興傳染病》(Emerging Infectious Diseases)期刊,登載一則來自澳大利亞的個案。[1, 2]論文的通訊作者對媒體表示:「你不會想成為全世界第一個被蟒蛇蠕蟲感染的病患,我們向她脫帽致敬。」[1]

嗜酸性白血球肺炎

這名現年 64 歲,出生於英國的婦人,20 至 30 年前曾到南非、亞洲和歐洲等地遊歷;目前定居澳洲新南威爾斯州東南部。她患有糖尿病、甲狀腺機能低下和憂鬱症;服用過抗生素 doxycycline 對抗社區型肺炎,但未曾完全康復。2021 年 1 月的時候,因為連續 3 週腹痛且拉肚子,又乾咳、夜間盜汗,而住進當地的醫院,並做了驗血等一系列的檢查。其異常的結果,如下:[2]

  • 血紅素(又譯「血紅蛋白」;hemoglobin):血紅素是紅血球裡面的蛋白質,[3]正常範圍是 115 – 165 g/L,[2]過低會影響氧氣的輸送。[3]這名婦人只有 99 g/L。[2]
  • 血小板(platelets):正常值為 150 – 400 × 109/L;她的卻高達 617 × 109/L。[2]會造成血小板過量的原因很多,諸如造血幹細胞異常、急性感染、慢性發炎、缺乏鐵質,或是某些癌症等,都有可能。[4]
  • C 反應蛋白(C-reactive protein;CRP):CRP 由肝臟製造,釋放到血液裡,[5]濃度通常 <5 mg/L;婦人的是102 mg/L,[2]表示感染或發炎。[5]
  • 嗜酸性白血球(eosinophil):血液中嗜酸性白血球的濃度,正常應該 < 0.5 × 109/L;婦人的數值為 9.8 × 109/L。[2]嗜酸性白血球數量增加的肇因繁多,以過敏和被寄生蟲感染,較為常見。[6]
  • 支氣管肺泡灌洗(bronchoalveolar lavage;BAL):婦人支氣管肺泡灌洗液的細胞中,嗜酸性白血球佔 30%。[2]血液的嗜酸性白血球過多,BAL 液體中又超過 25%,就有可能是肺部發炎。[7]
  • 電腦斷層掃描(computed tomography;CT):影像呈現肺臟被毛玻璃樣混濁圍繞的多處不透明陰影;以及肝臟與脾臟的病灶。[2]

婦人還做了血清學檢查,排除桿線蟲(Strongyloides)感染;而自體免疫疾病篩檢亦呈陰性。醫師綜合以上檢驗結果,判斷她得到原因不明的嗜酸性白血球肺炎(eosinophilic pneumonia),[2]並投以能消炎及抑制免疫功能的類固醇藥物 prednisolone,[2, 8]改善了部份症狀。[2]

嗜酸性白血球增多症候群

3 個禮拜後,仍在服藥的婦人,咳嗽、發燒不斷。這回坎培拉一家第三級的大醫院,幫她重新檢查,部份結果如下:驗血顯示下降的嗜酸性白血球(3.4 × 109/L)和 C 反應蛋白(68.2 mg/L),濃度依然超標;從電腦斷層掃描,可見肺部病灶移動,但肝臟與脾臟的維持原狀;肺部切片再次確定診斷為嗜酸性白血球肺炎;而微生物檢驗排除細菌、真菌和寄生蟲等各種感染。[2]

肺臟的不透明陰影和毛玻璃樣混濁,跟上次住院的位置不完全相同。圖/參考資料 2,Figure 1A(Public Domain

另外,醫師發現婦人有單株 T 細胞受體基因重組(monoclonal T-cell receptor gene rearrangement)的問題:[2]本來多元的 T 細胞可以對付各種感染;現在特定的T細胞卻不斷自我複製,使變異貧乏單調。[9]它們過度製造白血球介素 –5(interleukin-5),促使嗜酸性白血球在骨隨中大量形成,[10]導致嗜酸性白血球增多症候群(hypereosinophilic syndrome;HES)。[2]

醫師提高類固醇藥物 prednisolone 的劑量,加上免疫抑制劑 mycophenolate,還有驅蟲藥 ivermectin。最後一項是考量婦人豐富的旅遊史;可能呈現偽陰性的桿線蟲血清學檢測;以及抑制免疫系統時的感染風險。[2]

2021 年中,從追蹤檢查的電腦斷層掃描,得知肺和肝的病灶都有好轉,但脾臟的不變。2021 年 9 月,嗜酸性白血球在血液中的濃度降至 0.76 × 109/L。2022 年 1 月,醫師想調降類固醇,又擔心壓不住婦人呼吸道的症狀,於是加開白血球介素 –5 單株抗體 mepolizumab,[2]減少嗜酸性白血球的數量。[10, 11]等到後者的數值正常,便開始降低類固醇的劑量。[2]

2022 年繼續服用類固醇 prednisolone、免疫抑制劑 mycophenolate 和白血球介素 –5 單株抗體 mepolizumab 的婦人,有長達 3 個月的時間,不僅健忘,憂鬱症還惡化。此時,她的嗜酸性白血球濃度正常;但 C 反應蛋白為 6.4 mg/L,意味著發炎;而核磁共振影像上,腦部的右額葉有個 13 × 10 mm 的病灶。於是,婦人在同年 6 月接受切片手術。[2]

婦人的腦部核磁共振影像。圖/參考資料 2,Figure 2A(Public Domain

腦中的蠕蟲

這刀往腦袋劃下去不得了──長 80 mm,直徑 1 mm,活生生的蠕蟲!神經外科醫師將牠拖出來後,隨即進行硬腦膜切開術(durotomy)跟皮質骨切開術(corticotomy),巡周邊一輪,確定僅此 1 條,沒有共犯。稍後硬腦膜切片檢體送驗,得到的結果為良性。[2]可是那條蟲怎麼辦?

「噢,我的天啊!」神經外科醫師亢奮地說道:「你絕對不會相信,我剛才在那位女士的腦子裡,發現了什麼──牠活著,還會蠕動。」接到她電話的同事們組成團隊,一起來辨識物種。根據感染科醫師,也就是後來論文通訊作者的回憶:「我們翻遍了教科書,查詢各種會侵入神經,惹出疾病的蠕蟲。」然而怎麼也找不到答案,只好把還活著的小生命,捧去聯邦科學與工業研究組織(CSIRO),請教寄生蟲專家。對方看了一眼,驚叫:「天哪,是 Ophidascaris robertsi!」[1]

從婦人腦中拖出來的 Ophidascaris robertsi。圖/參考資料 2,Figure 2 B & C(Public Domain

這隻蛻變到三齡階段,外表朱紅的幼蟲,有 3 片典型的蛔蟲科唇瓣和盲腸,但缺乏發育完全的生殖系統。牠的頭尾被剁下來,由 CSIRO 的澳洲國家野生收藏館(Australian National Wildlife Collection)保存;其他屍塊分別交給雪梨大學(University of Sydney)以及墨爾本大學(University of Melbourne)鑑定基因。果然該寄生蟲專家所言不假,真的是 Ophidascaris robertsi。[2]

蛔蟲科唇瓣示意圖。圖/Civáňová Křížová K, Seifertová M, Baruš V, et al. (2023) ‘First Study of Ascaris lumbricoides from the Semiwild Population of the Sumatran Orangutan Pongo abelii in the Context of Morphological Description and Molecular Phylogeny’. Life, 13(4):1016.(CC BY 4.0)

Ophidascaris robertsi 生活史

Ophidascaris robertsi 這種澳洲原生的蠕蟲,採行所謂的間接生活史(indirect life cycle),一輩子寄生多個宿主:成蟲住在最終宿主(definitive hosts)地毯莫瑞蟒(Morelia spilota)的食道和胃裡,牠們的卵則會點綴於蛇糞之中。身為中間宿主(intermediate hosts)的小型哺乳類,特別是澳洲特產的有袋動物,糊里糊塗吃了卵,幼蟲便竄入牠們胸腔和腹腔內臟,活上很長的一段時間。直到有天,地毯莫瑞蟒獵捕小動物果腹,故事就再從頭來過,生生不息。[2]

地毯莫瑞蟒。圖/Amos T Fairchild on Wikimedia Commons(GFDL-1.2)

通常這齣沒完沒了的連續劇,不該有我們的戲份,所以這位澳洲婦人是目前所知,第一個意外參與演出的人類。她家附近的湖畔為地毯莫瑞蟒的棲地,醫師推測婦人採集野生番杏(Tetragonia tetragonioides)回來做菜,因而吃到蟲卵。當幼蟲開始在她的體內亂竄,引發内臓移行性幼蟲症候群(visceral larva migrans syndrome),免疫系統理應防止外侮進入中樞神經。偏偏此時婦人正在治療致命性的嗜酸性白血球增多症候群,多種藥物令她的免疫系統龍困淺灘。O. robertsi 的幼蟲就通行無阻,順勢直搗腦部。[2]

番杏。圖/Mason Brock on Wikimedia Commons(Public Domain)

術後恢復

移除蠕蟲後,醫師停止所有抑制免疫系統的藥物,另外開了兩種驅蟲藥,包括:以前用過的 ivermectin,跟對中樞神經系統穿透力更好的 albendazole;以及劑量漸減,具有消炎作用的類固醇 dexamethasone。此時婦人的肺臟和肝臟病灶早已恢復;但電腦斷層掃描影像上,脾臟的毛病依舊存在。針對這個現象,醫師在論文裡幫那隻蠕蟲講了句公道話,認為後者不是牠的錯,並以早前的正子斷層造影為證:肺、肝兩處病灶對放射性示蹤劑的反應,與脾臟迥異。術後 6 個月,婦人的嗜酸性白血球濃度維持正常,神經精神方面也有進步。[2]目前整體狀況穩定,仍定期回診追蹤。[1]

  

參考資料

  1. Davey M. (28 AUG 2023) ‘‘Oh my god’: live worm found in Australian woman’s brain in world-first discovery’. The Guardian, Australia.
  2. Hossain ME, Kennedy KJ, Wilson HL, et al. (2023) ‘Human Neural Larva Migrans Caused by Ophidascaris robertsi Ascarid’. Emerging Infectious Diseases, 29(9):1900-1903.
  3. Low Hemoglobin’. (04 MAY 2022) Cleveland Clinic, U.S.
  4. Kuter DJ. (SEP 2022) ‘Overview of Platelet Disorders’. MSD Manual – Professional Version.
  5. C-reactive protein (CRP) blood test’. (OCT 2022) Healthdirect Australia.
  6. Liesveld J. (SEP 2022) ‘Eosinophilia’. MSD Manual – Professional Version.
  7. Salahuddin M, Anjum F, Cherian SV. (22 MAY 2023) ‘Pulmonary Eosinophilia’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  8. Prednisolone’. (APR 2023) Healthdirect Australia.
  9. T-Cell Receptor Gene Rearrangement’. (22 SEP 2020) Testing.com, U.S.
  10. Roufosse F. (2018) ‘Targeting the Interleukin-5 Pathway for Treatment of Eosinophilic Conditions Other than Asthma’. Frontiers in Medicine, 5:49.
  11. Agumadu VC, Ramphul K, Mejias SG, et al. (2018) ‘A Review of Three New Anti-interleukin-5 Monoclonal Antibody Therapies for Severe Asthma’. Cureus, 10(8):e3216.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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陸地上的首批動物是什麼?又是如何上岸的呢?——《直立猿與牠的奇葩家人》
大塊文化_96
・2023/08/19 ・3911字 ・閱讀時間約 8 分鐘

從志留紀末期到泥盆紀這段時間,地球的大陸成了首批陸生動物的家園。
狀似馬陸的呼氣蟲是最早的節肢動物先驅。
同時,蜘蛛與蠍子的早期親屬,也利用已在地球表面建立起來的植物與真菌生態系。
牠們在陸地上進食、繁殖與死亡,為陸地食物網增添了新的複雜性,也為後來從水邊冒險登陸的其他動物提供了獎勵。

動物隨著地球的演化踏上岸

隨著地球表面被植物染綠,動物跟隨植物的腳步上岸只是時間問題。

隨著地球表面被植物染綠,動物跟隨植物的腳步上岸只是時間問題。圖/envato

第一批維管束植物在地球大陸的年輕土壤中安家後不久,節肢動物踏進了這些矮樹叢。這些無畏探險家留下的最古老證據之一,是在蘇格蘭亞伯丁附近出土的一塊化石,名為呼氣蟲(Pneumodesmus)。

牠是一種多足類,與馬陸和蜈蚣屬於同一個群體。雖然原本將牠的年代界定在四億兩千三百萬年前的志留紀,但是近期研究顯示牠可能更年輕,生活在最早期的泥盆紀。

無論如何,到了泥盆紀,動物已經在陸地上站穩腳跟,而呼氣蟲更是最早在地球上行走的動物之一。

發現目前唯一的呼氣蟲化石

目前出土的呼氣蟲化石只有一件,而且只是一塊一公分(○.四英寸)的身體碎片。

然而在這一小塊化石中,可以清楚看到很多隻腳,從一隻可識別的馬陸狀動物的六個體節長出來。

呼氣蟲的外觀可能和這種現代的馬陸很像。圖/大塊文化

更重要的是,呼吸結構的細節清楚可見:外骨骼角質層上有稱作氣門的孔。這些氣門讓氧氣與其他氣體進入並離開身體,這塊化石也是根據這項特徵而命名為呼氣蟲(Pneumodesmus 的「pneumo」來自希臘文的「呼吸」或「空氣」)。

這塊化石提供了第一個呼吸空氣的決定性證據,這是一種全新的演化適應,為數百萬微小的節肢動物探索者,以及追隨牠們的捕食者,開放了大陸的表面。

最古老的多足類演化過程

在泥盆紀,呼氣蟲並非獨自生活在植被中。還有許多多足類和牠一起生活,最古老的多足類化石出現在志留紀與泥盆紀的岩層。

儘管不屬於任何現代的馬陸或蜈蚣群體,牠們是現存馬陸與蜈蚣的早期親戚,外表與馬陸和蜈蚣非常相似,具有分節的長條狀身體許多腳―馬陸每個體節的兩側各有兩隻腳,蜈蚣則只有一隻。

目前已知有最多腳的馬陸是全足顛峰馬陸(Illacme plenipes),擁有七百五十隻腳。現存的大多數馬陸都是食碎屑動物,以腐爛的植物為食。這些動物的化石紀錄很少,因此每一件化石對於我們瞭解生命從水裡浮現的過程都特別珍貴。

一隻有著 618 條腿的雌性 Illacme plenipes。圖/wikipedia

最早的多足類,可能是受到早期植物產生的新食物來源所吸引,才來到陸地上。

最早的蛛形綱動物也充分利用了頭頂上的廣闊天地。蛛形綱動物包括蟎、蠍子、蜘蛛與盲蛛。牠們有八隻腳(不同於昆蟲的六隻腳),大多數仍生活在陸地上,儘管少數(如水蛛〔Argyroneta〕)又回到水中生活。

奧陶紀與志留紀的化石顯示,蛛形綱動物和其他節肢動物可能在更早的時候就偶爾會出現在陸地上,但是到了泥盆紀,有些已經完全過渡到能夠呼吸空氣的狀態。最早的蛛形綱動物是角怖蛛,這是一個已經滅絕的群體,看起來像是蜘蛛與蟎的雜交體。

蟎與擬蠍也很多,後來還有類似蜘蛛、具有吐絲管能製造絲的始蛛(Attercopus)。就像今天一樣,這些早期的蛛形綱動物大多是捕食者,可能以其他從水邊冒出來的節肢動物為食。

到泥盆紀末期,出現了第一批昆蟲,據估計,昆蟲構成今日地球上所有動物生命的 90%。最後,一些脊椎動物也過渡到陸地上,這或許是受到尋找新的食物來源所驅動。

我們所知的陸地生命基礎終於到位了。自此之後,演化在這些群體中繼續發揮作用,創造出我們今日所見的驚人多樣與多量。

節肢動物牠們有什麼用處呢?

節肢動物通常被看作是害蟲,昆蟲尤其如此。

然而,牠們在整個地球的運行中扮演十分重要的角色。現在有超過一萬六千個多足類物種、六萬種蛛形綱動物,以及大約一千萬種的昆蟲。

牠們不僅在地球最早期生態系中舉足輕重,至今對自然界及人類的世界仍然非常重要。

多足類處理森林中的落葉,成為營養循環中的一個重要齒輪。蜈蚣通常是捕食者,最大的蜈蚣甚至能吃小型哺乳動物與爬蟲類。

蛛形綱動物大多也是捕食性的,因此在調節獵物的族群數量方面,發揮重要的作用。這裡所指的包括昆蟲害蟲在內,這些害蟲數量不受控制,就會損害植物的族群數量。因此,不起眼的蜘蛛對人農業非常重要。

蟎與蜱可以寄生並傳染疾病,對人類及其他動物構成威脅,其他昆蟲也會造成類似的危險。然而,昆蟲的角色變化多端,其價值確實無法估量,包括生產蜂蜜,甚至以其勤奮的活動精明操控整個生態系,例如蜜蜂、螞蟻與白蟻。

許多節肢動物都有毒,有些對人類甚至具有致命性。然而,讓獵物喪失能力和死亡的毒液也可發揮其他用處;蜘蛛毒液已被用作替代的殺蟲劑,科學家也正在研究其醫藥用途,以及在新材料上的應用。

蜘蛛毒液已被用作替代的殺蟲劑,科學家也正在研究其醫藥用途,以及在新材料上的應用。圖/envato

此外,節肢動物可以為包括彼此在內的無數動物提供食物來源。許多節肢動物是人類的食物,包括狼蛛、蠍子、蚱蜢、白蟻與象鼻蟲等。

目前,世界各地有多達二千零八十六種節肢動物被當成食物,而且至少從舊石器時代開始,牠們已經成為食物的來源。

有人認為,隨著人類人口不斷增加,昆蟲尤其可能在未來提供重要的蛋白質來源―這是資源密集型肉類養殖的替代方案。

我們很難想像一個沒有節肢動物的地球;事實上,這樣的地球可能無法存在。早在泥盆紀,世界就是節肢動物的天下。

但牠們冒險去到的地方,捕食者也在不遠處。節肢動物的存在,為另一個從水中出現的動物群體提供了食物,而這個動物群體在人類的演化史上特別重要:這裡講的是四足動物。

——本文摘自《直立猿與牠的奇葩家人:47種影響地球生命史的關鍵生物》,2023 年 7 月,大塊文化,未經同意請勿轉載。

大塊文化_96
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由郝明義先生創辦於1996年,旗下擁有大辣出版、網路與書、image3 等品牌。出版領域除了涵括文學(fiction)與非文學(non-fiction)多重領域,尤其在圖像語言的領域長期耕耘不同類別出版品,不但出版幾米、蔡志忠、鄭問、李瑾倫、小莊、張妙如、徐玫怡等作品豐富的作品,得到讀者熱切的回應,更把這些作家的出版品推廣到國際市場,以及銷售影視版權、周邊產品的能力與經驗。